叠交隧道施工对既有隧道影响分析

彭 坤

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

随着轨道交通事业的不断发展，在轨道交通控制保护区范围内不可避免地出现了大量穿越既有轨道交通的工程。穿越工程复杂程度高、风险大、控制标准极为严格，如果处置不当将导致既有结构及轨道变形超限，严重时将影响到轨道交通的正常运营[1]。

1 工程概况

昆明地铁1号线二期工程起自北二环路，沿北京路南行接入环城南路站，与首期已运营的1号线贯通衔接。5号线与1号线在弥勒寺站换乘，站后区间呈十字叠交，均采用盾构法施工。管片外径6.2 m、厚度0.35 m、宽度1.2 m，混凝土等级C50、抗渗等级P12，错缝拼装。1号线在上、5号线在下，1号线区间覆土厚度约12.0 m，5号线区间覆土厚度约20.3 m；两区间隧道最小净距2.1～2.2 m。区间叠交处自上而下依次分布为素填土、粉质黏土、圆砾土、黏质粉土、粉砂层。见图1。

图1 区间叠交区域相对位置关系

2 叠交区域安全控制指标

图2 加固方案

穿越区土层自稳性差，需要采用旋喷桩进行地面注浆加固。旋喷桩桩长均为13.6 m、直径800 mm、间距600 mm，梅花形布置咬合；平面加固范围为隧道外轮廓外扩1.5 m。见图2。运营线路对变形控制要求严格，一旦超过位移限值，可能存在开裂、渗水、管片接口张开；变形过大，甚至会影响既有线的运营安全。通常情况下，管片结构水平及竖向变形是导致上方线路不平顺的主要原因，1号线控制指标为隧道水平位移、竖向位移及隧道径向收敛≤20 mm，轨道横向高差和轨向高差≤4 mm，轨间距-4～6 mm，道床脱空量≤5 mm，结构裂缝宽度≤0.2 mm[2～3]。

3 叠交隧道数值模拟

为定量分析下穿过程对既有线的影响，采用GTS-NX软件，建立地层结构模型进行计算。

3.1 模型建立

建立地铁盾构区间叠交区域，根据盾构隧道影响区适当扩大，满足数值计算精度要求。模型尺寸：X轴100 m，Y轴120 m，Z轴60 m，见图3。

图3 分析模型

计算模型中盾构区间管片仅考虑弹性变形，采用线弹性本构模型，假定材料应力-应变符合广义胡克定律。

土体是典型的弹塑性材料，其卸载模量远大于加载模量。Mohr-Coulomb弹塑性模型将压缩和卸载模量统一采用杨氏模量E来表示，由于土体开挖是卸荷的过程，因此采用模拟土体卸载特性较好的Hardening-Soil模型更为合理；而修正Mohr-Coulomb模型的屈服面是解耦双Hardening-Soil模型，用3个刚度值来表征土体在开挖过程中的特性，其中E50为标准排水三轴试验中的割线刚度；Eoed为主固结仪加载中的切线刚度；Eur为卸载/重新加载刚度。Hardening-Soil模型包含剪切和压缩两种硬化类型且剪切破坏和压缩破坏互不影响[4]。目前数值分析中修正Mohr-Coulomb本构模型由非线性弹性模型和弹塑性模型组合，是对Mohr-Coulomb模型的改进，适用于软土或砂土。本工程位于粉质黏土及圆砾土层，因此，土层采用的是修正Mohr-Coulomb模型。

计算参数的选取很大程度决定数值计算结果的可靠性。本次数值计算中岩土力学参数基于工程的详勘报告确定。见表1和表2。

表1 土层参数取值

表2 弹性材料物理参数取值

5号线区间左右线盾构均在弥勒寺站始发，先左线后右线，保证安全距离50环以上。计算模型根据盾构实际施工进行工况划分，穿越范围按每段进尺为6 m进行模拟计算。

工况1：工程场地初始地应力场分析。

工况2：穿越范围旋喷桩注浆加固。

工况3：1号线区间施工完毕，得出1号线区间内力分布情况。

工况4：5号线左线掘进到加固范围前12 m（S1）。

工况5：5号线左线掘进到加固范围前6 m（S2）。

工况6：5号线左线掘进到加固范围（S3）。

……

工况13：5号线左线掘进到加固范围后6 m，右线准备掘进（S10）。

工况14：5号线左线掘进到加固范围后12 m，右线掘进到加固范围前12 m，保证左右线安全距离≮50环（S11）。

工况15：5号线左线掘进到模型边界，右线掘进到加固范围前6 m（S12）。

……

工况25：5号线右线掘进到模型边界（S22）。

3.2 影响分析

3.2.1 变形

在计算模型中提取左线6个代表点，分别位于拱顶和拱腰位置，见图4。

图4 1号线区间左线代表点

代表点在各工况下的变形见图5。

在5号线掘进过程中，区间左线拱顶竖直向最大变形为2.32 mm，变形速率最大的工况为S9～S14；拱腰水平向最大变形为0.69 mm，变形速率最大的工况为S9～S14。盾构施工时，地层变形以竖向为主，表现为开挖隧道拱顶沉降变形，同时还包括水平向的收敛变形。由于下洞开挖扰动经地层扩散，对上部1号线隧道变形也有一定影响，随着5号线隧道掘进，1号线区间跟随土体协调变形，从图5可以看出，当盾构掘进至区间正下方范围时，变形速率加大，穿越叠交区域后，变形趋于稳定。

3.2.2 内力

5号线掘进过程中，1号线区间管片内力重分布，各工况下，管片最大正弯矩154.8 kN·m，最大负弯矩129.4 kN·m，最大剪力349.4 kN，最大轴力3 123.0 kN。见图5。

图5 1号线最大内

从计算结果和经验得知，当管片结构按照计算裂缝宽度0.2 mm进行控制验算时，正常使用极限状态验算比承载能力极限状态的基本组合下和地震工况组合配筋高，正常使用极限状态的裂缝宽度验算是控制工况。通过上述管片内力计算，穿越后裂缝验算为0.13 mm，该项目实施未造成管片强度破坏，管片结构配筋满足正常使用及承载能力极限状态验算要求。

在加固情况下进行盾构施工，1号线管片结构内力分布情况及内力数值不存在明显变化。

4 结论及建议

采用数值模拟计算分析，较为真实的模拟了5号线区间下穿1号线区间的施工过程，给出了整个计算区域在不同施工阶段的变形及内力情况，加固方案对于5号线下穿1号线结构安全是可控的。

目前，数值模拟计算在方案研究及风险论证中已得到普遍应用。数值模拟计算正确与可靠的关键是合理的选取本构关系及参数。